Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Um grande desafio da atualidade é a preservação dos recursos hídricos, bem como o
correto manejo dos mesmos, frente à expansão das cidades e às atividades humanas. A
qualidade de um corpo hídrico é usualmente avaliada através da análise de parâmetros
biológicos, físicos e químicos. O comportamento de tais parâmetros pode convenientemente
ser simulado através de modelos matemáticos e computacionais, que surgem assim como uma
ferramenta bastante útil, por sua capacidade de geração de cenários que possam embasar, por
exemplo, tomadas de decisão. Nesta tese são discutidas técnicas de estimação da localização e
intensidade de uma fonte de contaminante conservativo, hipoteticamente lançado na região
predominantemente fluvial de um estuário. O lançamento aqui considerado se dá de forma
pontual e contínua e a região enfocada compreendeu o estuário do Rio Macaé, localizado na
costa norte do Rio de Janeiro. O trabalho compreende a solução de um problema direto, que
consiste no transporte bidimensional (integrado na vertical) desse contaminante hipotético,
bem como a aplicação de técnicas de problemas inversos. Para a solução do transporte do
contaminante, aqui modelada pela versão 2D horizontal da equação de advecção-difusão,
foram utilizados como métodos de discretização o Método de Elementos Finitos e o Método
de Diferenças Finitas. Para o problema hidrodinâmico foram utilizados dados de uma solução
já desenvolvida para estuário do Rio Macaé. Analisada a malha de acordo com o método de
discretização, foram definidas a geometria do estuário e os parâmetros hidrodinâmicos e de
transporte. Para a estimação dos parâmetros propostos foi utilizada a técnica de problemas
inversos, com o uso dos métodos Luus-Jaakola, Algoritmo de Colisão de Partículas e
Otimização por Colônia de Formigas para a estimação da localização e do método Seção
Áurea para a estimação do parâmetro de intensidade da fonte. Para a definição de uma fonte,
com o objetivo de propor um cenário experimental idealizado e de coleta de dados de
amostragem, foi realizada a análise de sensibilidade quanto aos parâmetros a serem
estimados. Como os dados de amostragem de concentração foram sintéticos, o problema
inverso foi resolvido utilizando-os com e sem ruído, esse introduzido de forma artificial e
aleatória. Sem o uso de ruído, os três métodos mostraram-se igualmente eficientes, com uma
estimação precisa em 95% das execuções. Já com o uso de dados de amostragem com ruídos
de 5%, o método Luus-Jaakola mostrou-se mais eficiente em esforço e custo computacional,
embora todos tenham estimado precisamente a fonte em 80% das execuções. Considerando os
resultados alcançados neste trabalho tem-se que é possível estimar uma fonte de constituintes,
quanto à sua localização e intensidade, através da técnica de problemas inversos. Além disso,
os métodos aplicados mostraram-se eficientes na estimação de tais parâmetros, com
estimações precisas para a maioria de suas execuções. Sendo assim, o estudo do
comportamento de contaminantes, e principalmente da identificação de fontes externas, torna-se
uma importante ferramenta para a gestão dos recursos hídricos, possibilitando, inclusive, a
identificação de possíveis responsáveis por passivos ambientais. / A great challenge of our time is the preservation of water resources, as well as the
proper management of the same, given the expansion of cities and human activities. The
quality of a water body is usually evaluated through the analysis of biological, physical and
chemical parameters. The behavior of these parameters can conveniently be simulated by
mathematical and computational models, which arise as a useful tool by its ability to generate
scenarios that may support, for example, decision making. In this thesis we discuss techniques
for estimating the location and intensity of a source of conservative contaminant
hypothetically released in the predominantly fluvial area of an estuary. The release here
considered happens in a punctual and continuous form and the focused area includes the River
Macaé estuary, located in the northern coast of Rio de Janeiro. The work includes the solution
of a direct problem, which consists of two-dimensional transport (vertically integrated) of that
hypothetical contaminant, as well as the application of inverse problems techniques. For the
solution of the contaminant transport, modeled here by the version 2D horizontal advectiondiffusion
equation, were used as discretization methods the Finite Element Method and the
Finite Difference Method. For the hydrodynamic problem were used data from a solution
already developed to the River Macaé estuary. Analyzed the mesh according to the
discretization method, were defined the geometry of the estuary and the hydrodynamic and
transport parameters. For estimation of the proposed parameters the technique of inverse
problems was used, with the use of the Luus-Jaakola method, the Particle Collision Algorithm
and the Ant Colony Optimization for estimating the location and of the Golden Section
method for estimating the parameter of intensity of the source. For the definition of a source
with the objective of proposing an idealized experimental scenery and of the collection of
sampling data the sensibility analysis was accomplished with relationship to the parameters to
be estimated. As sampling data of concentration were synthetic data, the inverse problem was
solved using them with and without noise, introduced artificially and randomly. Without the
noise use, the three methods were shown equally efficient, with accurate estimation in 95% of
the executions. Already using sampling data with noise of 5%, the Luus-Jaakola method was
shown more efficient in effort and computational cost, although all have estimated the source
precisely in 80% of the executions. Considering the reached results in this work it is possible
to estimate a source of constituents, as to its location and intensity, through the technique of
inverse problems. Moreover, the applied methods were shown efficient in the estimation of
such parameters with accurate estimates for most executions. Thus, the study of the behavior
of contaminants, and especially the identification of external sources, it becomes an important
tool for the management of the water resources, making possible, besides, the identification of
possible responsible for environmental liabilities.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:UERJ:oai:www.bdtd.uerj.br:4254 |
| Date | 15 August 2013 |
| Creators | Radael de Souza Parolin |
| Contributors | Antônio José da Silva Neto, Pedro Paulo Gomes Watts Rodrigues, Francisco Duarte Moura Neto, Rodrigo Otávio de Castro Guedes, Regina Célia Paula Leal -Toledo, Davidson Martins Moreira |
| Publisher | Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional, UERJ, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ, instname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro, instacron:UERJ |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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